探究導(dǎo)向的化工原理實驗教學(xué)設(shè)計與實踐

王 娟， 鐘 秦， 蔡文彬， 劉 飛

（1.南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，南京 210094；2.南京大學(xué)出版社，南京 210093）

0 引 言

化工原理是化工類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，擔(dān)負(fù)著由“理”及“工”的橋梁作用?；ぴ韺嶒炇桥囵B(yǎng)學(xué)生工程能力的重要實踐環(huán)節(jié)，是加深理論知識、認(rèn)識工程問題、培養(yǎng)工程素養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有工程啟蒙意義。傳統(tǒng)的化工原理實驗主要為操作性或驗證性實驗，實驗組織流程包括學(xué)生結(jié)合教材預(yù)習(xí)、指導(dǎo)老師現(xiàn)場提問與講解、學(xué)生操作記錄數(shù)據(jù)、撰寫實驗報告等環(huán)節(jié)。學(xué)生參與實驗的興趣不高，部分學(xué)生懷著“完成任務(wù)、拿學(xué)分”的心理，教學(xué)效果不夠理想，主要體現(xiàn)在對工程問題認(rèn)識不清晰、印象不深刻，甚至知其然不知所以然，與“金課”的標(biāo)準(zhǔn)還有一定的差距［1-2］。

全國各高校結(jié)合學(xué)情特點從不同角度開展了化工原理實驗教學(xué)改革［3-13］。例如，徐威等［3］開展的原理驅(qū)動啟發(fā)式教學(xué)，有助于學(xué)生更好地理解實驗流程；武莉婭等［3］通過融入信息技術(shù)強化實驗教學(xué)過程考核；秦曉麗等［12］將科研工作融入化工原理實驗教學(xué)，提高了課程的“兩性一度”。

另外，按工程教育專業(yè)認(rèn)證要求，研究能力是化工原理實驗課程支撐的主要畢業(yè)要求之一［14-15］。而化工原理實驗學(xué)時少、學(xué)生工程知識積累不足，如何培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力是化工原理實驗教學(xué)的難點。

為此，筆者深入開展了研究導(dǎo)向［16-18］的實驗教學(xué)改革與實踐，引導(dǎo)學(xué)生在實驗準(zhǔn)備、操作與撰寫報告總結(jié)過程中學(xué)會發(fā)現(xiàn)工程問題、學(xué)習(xí)研究問題的方法，有效提高了學(xué)生分析和解決實際問題的能力。

1 教學(xué)改革思路與創(chuàng)新設(shè)計

本文以南京理工大學(xué)“填料塔流體力學(xué)性能與氧解吸傳質(zhì)系數(shù)測定”實驗（本文簡稱為吸收實驗）為例，闡述研究導(dǎo)向教學(xué)模式的設(shè)計思路和實施方法。

吸收實驗教學(xué)內(nèi)容包括填料塔流體力學(xué)性能和氧解吸傳質(zhì)系數(shù)的測定兩個部分，選用的吸收劑為自來水，實驗裝置委托北京化工大學(xué)設(shè)計加工，實驗流程如圖1 所示［19］。

圖1 吸收實驗流程［19］

實驗采用吸收塔和解吸塔雙塔聯(lián)合操作，在吸收塔內(nèi)氧氣和水并流接觸形成“富氧水”，在解吸塔內(nèi)富氧水解吸并釋放出O2轉(zhuǎn)變?yōu)椤柏氀跛薄＞唧w教學(xué)改革措施如下。

1.1 實驗教材的修訂

實驗采用校內(nèi)自編教材，包括實驗?zāi)康?、原理、流程、步驟、數(shù)據(jù)記錄表格和思考題等內(nèi)容。其中，數(shù)據(jù)記錄表格的設(shè)計是實驗的難點之一。多數(shù)學(xué)生對教材上的數(shù)據(jù)記錄表格僅是照搬使用，對表格的合理性和全面性缺乏深入的思考。為了提高學(xué)生的實驗研究設(shè)計能力，明晰實驗數(shù)據(jù)采集思路，教材重編時不再列出數(shù)據(jù)記錄表格，要求學(xué)生在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)完成數(shù)據(jù)表格的設(shè)計，并在現(xiàn)場教學(xué)中結(jié)合實驗裝置以小組討論的方式進(jìn)行比較完善，最后對學(xué)生設(shè)計的數(shù)據(jù)表格進(jìn)行現(xiàn)場點評，提高了課程的挑戰(zhàn)度。

1.2 設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計

為了便于學(xué)生認(rèn)識和理解不同填料對氧解吸傳質(zhì)過程的影響，實驗室同時設(shè)計安裝了4 套裝填不同材質(zhì)和形狀填料的相同規(guī)格的氧解吸塔，并引導(dǎo)學(xué)生以小組合作的方式開展填料對氧解吸傳質(zhì)系數(shù)影響的研究。如圖2 所示，包括瓷質(zhì)拉西環(huán)、金屬θ 環(huán)、塑料星形的散裝填料和不銹鋼的波紋網(wǎng)狀規(guī)整填料。

圖2 不同材質(zhì)填料的選擇（1∶1）

另外，在進(jìn)行氧解吸實驗操作時，由于學(xué)生對實驗流程認(rèn)識的不足，經(jīng)常發(fā)生水倒灌入氧氣轉(zhuǎn)子流量計和氧氣緩沖罐的“事故”。為此，楊祖榮等［19］在吸收塔前設(shè)計添加了一個防水倒灌裝置，有效延緩了水倒灌進(jìn)入氧氣轉(zhuǎn)子流量計的時間。然而，由于水無色透明，仍有很多學(xué)生在操作時由于未注意到防倒灌裝置的液位上升而誤操作。為此，將實驗中這個“小問題”列為本科生科研訓(xùn)練“百千萬”計劃項目，并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行了深入研究，如圖3 所示。

圖3 實驗設(shè)計問題研究立項

1.3 教學(xué)資源的豐富

針對學(xué)生在預(yù)習(xí)階段對實驗流程和涉及的安全等問題認(rèn)識的不足，錄制了實驗現(xiàn)場指導(dǎo)視頻，并在中國大學(xué)MOOC平臺上線。

為方便學(xué)生查閱實驗涉及的相關(guān)學(xué)科知識，基于南京大學(xué)出版社智學(xué)平臺（http：/ /njupco. study100.net），以知識圖譜的方式構(gòu)建了包含化工原理實驗在內(nèi)的化學(xué)工程與工藝專業(yè)課程群。通過知識圖譜學(xué)生可以方便地查找定位和實驗相關(guān)的知識點視頻。如圖4 所示為吸收實驗與化工原理理論課程關(guān)聯(lián)的知識圖譜，點擊“吸收實驗”，還可以呈現(xiàn)實驗相關(guān)的重點或難點，進(jìn)一步點擊學(xué)習(xí)，如圖5 所示。

圖4 吸收實驗與化工原理關(guān)聯(lián)知識圖譜

圖5 吸收實驗重點和難點分布的知識圖譜

1.4 參數(shù)檢測與控制儀表的設(shè)計

為了讓學(xué)生了解現(xiàn)代化工生產(chǎn)過程參數(shù)自動檢測與控制情況，本實驗設(shè)計安排了兩套流量和壓力測量儀表，包括就地顯示儀表和遠(yuǎn)傳儀表，清晰呈現(xiàn)出“現(xiàn)場”和“控制室”的概念。例如，水流量既可以從圖1中的水轉(zhuǎn)子流量計（就地顯示儀表FG302）讀出，還可以通過渦輪流量計（遠(yuǎn)傳儀表FI302）的自動檢測在控制柜讀出；空氣流量既可以用空氣轉(zhuǎn)子流量計FG301檢測，還可以通過采集孔板流量計FI301 的壓降進(jìn)行計算。

為方便學(xué)生學(xué)習(xí)，本文補充了吸收實驗與化工儀表和過程控制課程的關(guān)聯(lián)知識圖譜，如圖6 所示。點擊“檢測元件與變送器”模塊，還可繼續(xù)學(xué)習(xí)溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)的檢測與變送相關(guān)知識。

圖6 吸收實驗與化工儀表和過程控制課程關(guān)聯(lián)的知識圖譜

1.5 實驗故障的溝通與處理

長期實驗教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在操作中遇到問題時不善于主動分析與思考，遇到問題習(xí)慣直接找老師求助，例如，“老師，我們那套設(shè)備壞了，氧氣壓力很高了，吸收塔內(nèi)都沒有氣泡”“老師，我們那組流量計壞了，全開了都沒有水”等等。為此，要求學(xué)生在講清楚故障后，分析可能的原因和初步的處置辦法，例如，“我認(rèn)為可能是水循環(huán)罐液位太低，導(dǎo)致水泵發(fā)生氣縛，加水后仍不能送液，可能是泵內(nèi)有氣體積存，我想用扳手打開泵蓋板處螺母排氣檢查下?！钡鹊取?/p>

如果能夠?qū)υO(shè)備故障有一定的判斷和思考，并能在與老師的交流中獲得指導(dǎo)從而解決問題，即使“誤操作”或“誤判斷”也不會被扣分，還有可能加分。通過這樣的方式有效促進(jìn)了學(xué)生的主動研究與思考，一方面提升了實驗課程的高階性與挑戰(zhàn)度，同時，學(xué)生的實驗專注度和小組討論熱情明顯提高，甚至其他小組遇到了問題，也會躍躍欲試。

1.6 實驗報告的撰寫

除了常規(guī)實驗報告內(nèi)容的撰寫要求，我們還十分重視指導(dǎo)學(xué)生注意有效數(shù)字、圖表規(guī)范、數(shù)據(jù)處理和實驗心得體會等部分的表達(dá)，還希望學(xué)生對實驗流程設(shè)計、實驗裝置安排和實驗教學(xué)組織提出改進(jìn)建議，鼓勵學(xué)生的批判性思維。例如，有學(xué)生在“心得體會”除了表達(dá)“通過實驗對相關(guān)理論理解更加深入”等，還提出：“填料由于長期使用，有的表層部分氧化變色或結(jié)垢，建議定期清洗或更換填料”“實驗過程氣泵一直工作，空氣溫度升高較多，影響實驗結(jié)果，建議采用控溫措施”等建議。反饋出該生在實驗過程的細(xì)心觀察和思考。

2 研究導(dǎo)向教學(xué)的實施

基于上述研究導(dǎo)向的教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計，通過對實際工程問題的提問、追問和討論，引導(dǎo)學(xué)生對實驗進(jìn)行深入的理解和思考，并對1 或2 個具體問題進(jìn)行深入的研究，初步學(xué)習(xí)開展研究性學(xué)習(xí)的方法，教學(xué)效果明顯提升。

2.1 課前“導(dǎo)學(xué)案”的設(shè)計

“導(dǎo)學(xué)案”主要由和實驗相關(guān)的一系列思考題組成，思考題的設(shè)置主要希望學(xué)生通過查閱資料熟悉實驗相關(guān)的工程背景，復(fù)習(xí)理論課程的相關(guān)知識，如填料層高度的計算方法、總體積傳質(zhì)系數(shù)的定義、“氣膜控制”和“液膜控制”的特點等［20］，為實驗方案的設(shè)計提供依據(jù)。

例如，課前要求學(xué)生思考，若需強化O2解吸傳質(zhì)過程，可采取什么措施？這是一個相對開放的問題，在實驗現(xiàn)場筆者對學(xué)生提出的措施進(jìn)行了深入的討論。

大多數(shù)學(xué)生提出了“增加氣體和液體的流量”的強化措施，因此追問：“增加哪種流體的流量更有效？”引導(dǎo)學(xué)生從O2難溶于水的物性分析，認(rèn)識到傳質(zhì)過程為“液膜控制”過程，傳質(zhì)阻力主要集中在液膜內(nèi)，增加液體的流量更有效。

另外，從吸收的操作條件角度考慮，學(xué)生很容易提出升溫、減壓有利于O2解吸的措施，這里重點引領(lǐng)學(xué)生從工程角度分析升溫和減壓的工程可行性，例如，升溫或減壓由于耗能而帶來的操作費用提高，減壓由于需要設(shè)備的密封及材料的耐壓而導(dǎo)致的設(shè)備成本的增加和相應(yīng)的安全問題等。

通過討論，學(xué)生對強化傳質(zhì)的實驗方案設(shè)計就了然于胸了。

2.2 課中在現(xiàn)場對工程問題的研討

課中的提問與研討主要圍繞現(xiàn)場實驗流程和實驗方案展開。

例如，讓學(xué)生根據(jù)現(xiàn)場實驗裝置判斷O2解吸操作是加壓、減壓還是常壓條件？

因為理論上減壓有利于解吸，不少同學(xué)想當(dāng)然地認(rèn)為解吸一定是在減壓條件下進(jìn)行，卻沒有注意到現(xiàn)場水循環(huán)罐和解吸塔頂氣體排出口都是與大氣相通的。

有學(xué)生會問：“為什么解吸不在負(fù)壓下操作，這樣O2解吸效果不是更好嗎？”

我們從實際工程應(yīng)用的角度引導(dǎo)學(xué)生理解這個問題。雖然解吸塔負(fù)壓操作O2更容易釋放，同時對設(shè)備的密封、材料耐壓等要求會導(dǎo)致設(shè)備成本明顯增加，因次，工程上一般吸收操作采用加壓，解吸操作則為常壓，相對于吸收，解吸過程的壓力還是下降了。

再如，解吸塔底貧氧水的排出管為什么設(shè)置成U型？多數(shù)學(xué)生都能回答出是發(fā)揮液封的作用。進(jìn)一步追問理論課流體靜力學(xué)方程應(yīng)用章節(jié)講過的液封原理與作用，不少學(xué)生想當(dāng)然地認(rèn)為是防止空氣或水倒灌。那么我們就引領(lǐng)學(xué)生分析：“如果確實發(fā)生了流體的倒灌，其推動力是什么？”答曰：壓強差。而外界壓強是大氣壓，若產(chǎn)生壓強差，塔內(nèi)應(yīng)是負(fù)壓，這顯然和實際情況不符，通過這樣的逆向分析，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，提高學(xué)生分析和解決實際問題的能力。這個例子也反饋出學(xué)生對理論的理解與實際應(yīng)用的差距，加強實驗、設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)指導(dǎo)十分重要。

2.3 創(chuàng)新意識的啟迪與培養(yǎng)

我校來自安全工程和應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的3 名二年級本科生依托科研訓(xùn)練計劃項目對本文1.2 所述的防倒灌裝置進(jìn)行了研究，先后提出了增加無水硫酸銅內(nèi)涂層、內(nèi)置防水貼和增加液位報警器等6 種改造方案，并對其可行性進(jìn)行了比較研究，撰寫了研究報告，在結(jié)題答辯中獲得了評委老師的好評。如圖7 所示為他們設(shè)計的部分研究方案示意圖。如圖8 所示為采納學(xué)生研究方案加工的防倒灌裝置實物。

圖7 防水倒灌報警裝置部分改造方案

圖8 改造后的防水倒灌裝置實物（1∶1）

通過上述研究項目的開展，學(xué)生查閱文獻(xiàn)、動手能力、創(chuàng)新意識和報告撰寫等綜合能力有了明顯的提升，改造過程中充分研討了裝置使用壽命、對實驗系統(tǒng)的影響和相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本。尤其是將他們的設(shè)計加工成實物并用于實驗裝置時，他們感到獲得了極大的鼓勵，明顯增加了專業(yè)自信。

2.4 職業(yè)工程素養(yǎng)的培育

研究導(dǎo)向教學(xué)重視學(xué)生職業(yè)工程素養(yǎng)的培育，例如，為了避免實驗中大量用水的浪費和直接自來水供水可能存在的水壓不穩(wěn)定、相鄰裝置用水量不同而互相影響等問題，增設(shè)了水循環(huán)罐。再如，在氧解吸實驗采樣后，經(jīng)常發(fā)生同組學(xué)生全部集中在O2分析儀處，實驗設(shè)備無人監(jiān)控，水泵、氣泵均在工作，O2也一直在釋放中，表現(xiàn)出小組同學(xué)沒有合理的分工，同時缺乏節(jié)能的意識。

另外，學(xué)生在調(diào)節(jié)氧氣緩沖罐壓力時要么十分認(rèn)真，臉部幾乎湊近壓力表；要么只顧低頭調(diào)節(jié)氧氣緩沖罐進(jìn)口閥門，眼睛不觀察壓力表等現(xiàn)象，這都不符合安全操作規(guī)范，需要在課堂上示范和糾正，潛移默化培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)。

3 結(jié) 語

針對化工原理實驗教學(xué)對學(xué)生的研究能力培養(yǎng)的不足，按工程教育認(rèn)證要求和一流課程標(biāo)準(zhǔn)開展了研究導(dǎo)向的教學(xué)改革與實踐。對實驗方案設(shè)計和操作過程隱含的實際工程問題進(jìn)行了凝練和梳理，從實驗講義修訂、實驗設(shè)備優(yōu)化、教學(xué)資源豐富、實驗故障處理、和實驗報告撰寫等視角進(jìn)行了實驗教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計。研究導(dǎo)向的化工原理實驗教學(xué)模式的開展，激發(fā)了學(xué)生積極參與研究性學(xué)習(xí)與討論的熱情，提高了學(xué)生自主設(shè)計實驗方案、撰寫規(guī)范實驗報告和實驗動手能力等綜合實踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和工程倫理素養(yǎng)，提高了課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，有效支撐了畢業(yè)要求的達(dá)成。